پرسش های متداول

سوال پاسخ

میراگرویسکوز چیست؟

میراگر ویسکوز قطعه ای صنعتی می باشد که همانند یک کمک فنر غول پیکر در سازه نصب شده و ارتعاشات ناشی از بارهای دینامیکی همانند زلزله، باد، انفجار، ضربه و … را مستهلک می کند. به بیان دیگر همانطور که کمک فنر در سیستم تعلیق خودرو، موتورسیکلت و یا سایر وسایل نقلیه وظیفه کاهش ضربات ناشی از ناهمواری های راه را بر عهده دارد، میراگرهای ویسکوز نیز به بیان ساده، وظیفه جذب ضربات مربوط به بارهای دینامیکی وارده بر سازه را بر عهده دارند.

شکل 1

سوال پاسخ

مکانیزم عملکرد میراگرهای ویسکوز به چه شکل می باشد؟

به طور کلی میراگرهای ویسکوز از یک سیلندر پر شده از سیال ویسکوز تشکیل شده اند. در داخل سیلندر یک شافت و یک پیستون محفظه سیلندر را به دو قسمت تقسیم می کنند. این دو بخش توسط یک یا چند اورفیس یه یکدیگر متصل می شوند. هنگامی که سازه تحت ارتعاش قرار می گیرد، ارتعاشات سازه به میراگر منتقل شده و این امر باعث حرکت شافت و متعاقبا پیستون در داخل سیلندر شده و این حرکت سبب جابجایی سیال از یک سمت پیستون به سمت دیگر آن می شود. این جابجایی منجر به ایجاد تغییر فشار سیال در دو سمت پیستون می گردد. در نتیجه نیرویی در خلاف جهت حرکت و با یک اختلاف فاز زمانی مشخص در میراگر ایجاد می گردد که این نیرو همان نیروی کنترل کننده میراگر می باشد که منجر به کاهش ارتعاشات سازه خواهد شد. عملکرد فوق به صورت شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است. اختلاف فشار رخ داده در دو سمت پیستون به سرعت حرکت پیستون وابسته بوده و ارتباطی با مقدار جابجایی پیستون ندارد. لذا میراگرهای ویسکوز را اصطلاحا میراگرهای وابسته به سرعت می نامند.

سوال پاسخ

میراگرهای ویسکوز به چه نحوی در ساختمان استفاده می شوند؟

میراگرهای ویسکوز به طرق مختلفی در سازه مورد استفاده قرار می گیرند. در ساختمان ها معمولا میراگرهای ویسکوز با استفاده از مهاربندهای قطری یا شورن به سازه متصل می گردند. البته روش های دیگری نیز برای تجهیز سازه به میراگرهای ویسکوز وجود دارد که برخی از آن ها در شکل نشان داده شده است.

سوال پاسخ

آیا میراگرهای ویسکوز در سازه های غیر ساختمانی همانند پل ها نیز قابل استفاده هستند؟

استفاده از میراگرهای ویسکوز تنها محدود به ساختمان نبوده و در سازه های ویژه همانند پل ها، اسکله های شمع و عرشه، سکوهای دریایی، سکوهای پرتاب موشک، نیروگاه ها و …. نیز قابل استفاده هستند. به طور کلی میراگرهای ویسکوز در هر سازه ای که در معرض بارهای دینامیکی مرتعش شود، قابل استفاده است. این سازه می تواند یک ساختمان در معرض زلزله باشد و یا یک پل عابر پیاده تحت بار دینامیکی ناشی از حرکت عابرین. همانطور که شکل 4 نشان می دهد، در پل ها میراگرهای ویسکوز معمولا مابین عرشه و پایه و یا عرشه و کوله قرار می گیرند و می توانند در هر دو امتداد طولی و عرضی پل مورد استفاده قرار گرفته و درصد میرایی پل را افزایش دهند.

سوال پاسخ

چگونه می توان از عملکرد صحیح میراگرهای ویسکوز اطمینان حاصل نمود؟

کلیه محصولات ایران دمپ مطابق پرتکل های بارگذاری آیین نامه ASCE 7 تحت تست های دینامیکی قرار گرفته و معیارهای پذیرش موجود در این آیین نامه را ارضا می کنند. به منظور اطمینان بیشتر، همواره مدل های اولیه تحت شرایط سختگیرانه تری نسبت به آیین نامه ASCE 7 تست می شوند. شکل 5 نمونه ای از تست های دینامیکی انجام شده بر روی یکی از محصولات شرکت را نشان می دهد.

سوال پاسخ

چرا باید از میراگرهای ویسکوز خارجی چشم پوشی کرد و به جای آن از میراگرهای داخلی استفاده نمود؟

کشورهای محدودی در جهان به عنوان تولید کننده میراگرهای ویسکوز شناخته می شوند. با توجه به تکنولوژی بالای میراگرهای ویسکوز و نیز شرایط خاصی که کشور ما با آن مواجه است، قیمت تمام شده میراگرهای ویسکوز خارجی بسیار بالا بوده به نحوی که ممکن است از منظر اقتصادی در بسیاری از پروژه ها توجیه پذیر نباشند. به همین علت تا کنون عملا کشور از این تکنولوژی محروم بوده است. ایران دمپ توانسته است پس از یک برنامه 6 ساله تحقیق و توسعه، دانش طراحی و ساخت میراگرهای ویسکوز را بومی کند. این امر سبب شده است میراگرهای ویسکوز داخلی در مقایسه با میراگرهای ویسکوز وارداتی از قیمت بسیار پایین تری برخوردار باشند. همزمان از منظر کیفیت و عملکرد کاملا با نمونه های خارجی مطابقت دارند چراکه معمولا میراگرهای ویسکوز با استفاده از پروتکل های مشترکی تست شده و عملکرد میراگرهای ساخته شده توسط شرکت های مختلف به سادگی قابل مقایسه می باشد. شکل 6 مقایسه ای بین یکی از محصولات ایران دمپ و یکی از محصولات یک شرکت امریکایی را نشان می دهد. مشاهده می شود با اینکه تعداد چرخه های وارده به میراگر ایرانی بسیار بیشتر از میراگر امریکایی است، لیکن پایداری رفتار میراگر ایرانی در مقایسه با میراگر امریکایی بهتر بوده است.

سوال پاسخ

آیا استفاده از میراگرهای ویسکوز بر اساس آیین نامه های ملی و بین المللی مجاز است؟

بله. همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، در بسیاری از آیین نامه های بین المللی همانند ASCE 7، ASCE 41 و … استفاده از میراگرهای مختلف از جمله میراگرهای ویسکوز مجاز بوده و برای آن الزاماتی درنظر گرفته شده است. برخی از آیین نامه ها و دستورالعمل های داخلی نیز همانند نشریه 360 و ضابطه شماره 766 که عمدتا بر اساس آیین نامه های بین المللی تدوین شده اند، استفاده از میراگرهای مختلف از جمله میراگرهای ویسکوز را مجاز دانسته و الزامات آنها را ارائه نموده اند. با این حال متاسفانه الزامات میراگرها و جداگرهای مختلف هنوز وارد استاندارد 2800 نشده اند لیکن این امر به معنی رد این تکنولوژی توسط استاندارد 2800 نمی باشد. لازم به ذکر است در حال حاضر آیین نامه های فوق برای طراحی سازه های مجهز به میراگر پختگی لازم را نداشته و برخی از موارد همانند نحوه چینش بهینه میراگرها، نحوه محاسبه مشخصات میراگرها در هر طبقه برای رسیدن به یک ضریب میرایی مشخص و …. را پاسخگو نیستند. لذا برای پاسخ به این نیاز، این امکان فراهم است که طراحی سازه مجهز به میراگر با مشاوره ایران دمپ صورت گیرد تا بدین ترتیب میراگرها در بهینه ترین شرایط قرار داده شوند.

سوال پاسخ

روند طراحی سازه های مجهز به میراگرهای ویسکوز به چه شکل می باشد؟

طراحی سازه های مجهز به میراگر ویسکوز توسط شرکت ایران دمپ در سه فاز انجام میگیرد. در فاز اول سازه اصلی بدون حضور میراگر تحت بارهای ثقلی و بخشی از بارهای لرزه ای طراحی می شود. میزان کاهش بارهای لرزه ای به درصد میرایی هدف بستگی دارد. در این مرحله نیازی به کنترل دریفت سازه نمی باشد. در فاز دوم میراگرهای لازم برای هر طبقه توسط الگوریتمی خاص طراحی می شوند به نحوی که اولا در بهینه ترین موقعیت مکانی قرار داده شوند و ثانیا منجر به افزایش درصد میرایی سازه به مقدار میرایی هدف شوند. به عنوان مثال میراگرها به نحوی طراحی و در طبقات توزیع می شوند که درصد میرایی سازه از مقدار اولیه 5% به مقدار 20% یا 30% افزایش یابد. در فاز سوم از طراحی عملکردی استفاده شده و با استفاده از تحلیل های دینامیکی غیرخطی عملکرد سازه کنترل می شود. شکل 8 روند فوق را به صورت شماتیک نشان داده است.

سوال پاسخ

آیا لازم است میراگرهای ویسکوز در تمام طبقات نصب شوند؟

خیر برخلاف مهاربندها و فیوزهای تسلیم شونده متداول، معمولا نیازی نیست میراگرهای ویسکوز در تمام طبقات قرار داده شوند. این امر در بسیاری از ساختمان ها به ویژه ساختمان های دارای پارکینگ از اهمیت ویژه ای برخوردار است چراکه معمولا نیازی به استفاده از میراگرهای ویسکوز در طبقات تحتانی نمی باشد. الگوریتم طراحی بهینه میراگرهای ویسکوز که توسط ایران دمپ توسعه یافته است به نحوی است که میراگرها را در بهینه ترین طبقات ممکن تجمیع می کند. شکل 9 برخی از سازه های طراحی شده توسط این روش را نشان میدهد. مشخص است که در هر چهار ساختمان میراگرها تنها در طبقات به خصوصی قرار گرفته اند. اینکه میراگرها در چه طبقاتی و به چه تعداد قرار خواهند گرفت عمدتا به مشخصات دینامیکی ساختمان و نیز درصد میرایی هدف وابسته است.

سوال پاسخ

استفاده از میراگرهای ویسکوز تا چه حد منجر به کاهش نیروها و تغییرمکان های سازه می شوند؟

برخلاف میراگرهای تسلیم شونده و اصطکاکی، میراگرهای ویسکوز نه تنها باعث کاهش تغییرمکان های سازه می شوند بلکه به دلیل آنکه سختی سازه را افزایش نمی دهند، منجر به کاهش نیروهای وارده بر سازه و نیز کاهش شتاب طبقات خواهند شد. به طور کلی مهم ترین پاسخ هایی که توسط میراگرهای ویسکوز کاهش می یابند عبارتند از: دریفت طبقات، جابجایی طبقات، دوران مفاصل پلاستیک تیرها، ستون ها و دیوارهای برشی، برش طبقات، لنگرهای وارده بر تیرها و ستونها و نیروهای انتقالی از جانب سازه به فونداسیون و متعاقبا فشار خاک زیر فونداسیون. میزان کاهش پاسخ سازه عمدتا به درصد میرایی هدف، پریود سازه و شدت زلزله بستگی دارد. با این حال به طور تقریبی آیین نامه ها ضرایبی کاهشی برای درنظر گرفتن افزایش میرایی پیشنهاد داده اند. بر این اساس می توان در جهت اطمینان اظهار داشت:

افزایش میرایی از 5% به 10% منجر به کاهش پاسخ های مختلف سازه به میزان 17% می شود.

افزایش میرایی از 5% به 20% منجر به کاهش پاسخ های مختلف سازه به میزان 33% می شود.

افزایش میرایی از 5% به 30% منجر به کاهش پاسخ های مختلف سازه به میزان 44% می شود.

افزایش میرایی از 5% به 40% منجر به کاهش پاسخ های مختلف سازه به میزان 52% می شود.

افزایش میرایی از 5% به 50% منجر به کاهش پاسخ های مختلف سازه به میزان 58% می شود.

درصد کاهش های فوق تقریبی هستند و ممکن است در برخی پاسخ ها درصد کاهش بیشتر یا کمتر از موارد فوق باشد. درصد کاهش واقعی علاه بر درصد میرایی به نوع پاسخ (نیرو-تغییرمکان-شتاب-دوران)، شرایط سازه و شدت زلزله بستگی دارد. شکل 10 مقایسه ای بین پاسخ های مختلف یک سازه در دو حالت طراحی شده با و بدون میراگر را نشان داده است. مشخص است که درصد کاهش پاسخ حتی برای یک ساختمان مشخص در طبقات مختلف متفاوت بوده ونیز این درصد کاهش با تغییر نوع پاسخ از شتاب طبقه به دوران پلاستیک تیر تغییر می کند. به بیان دیگر درصد کاهش رخ داده در دوران پلاستیک تیر به واسته حضور میراگر، با درصد کاهش رخ داده در شتاب طبقات متفاوت می باشد. فلذا ضرایب کاهش ارائه شده در آیین نامه ها صرفا به منظور طراحی اولیه سازه مناسب هستند.

سوال پاسخ

آیا استفاده از میراگرهای ویسکوز منجر به کاهش مصالح مصرفی در اسکلت سازه می شوند؟ و اساسا استفاده از این میراگرها توجیه اقتصادی دارند؟

از آنجایی که میراگرهای ویسکوز منجر به کاهش تقاضای نیرویی و تغییرمکانی وارده به سازه می شوند، لذا سازه های مجهز به میراگرهای ویسکوز از اسکلت سبکتری نسبت به سازه های مشابه فاقد میراگر ویسکوز برخوردار هستند. همچنین این امر سبب می شود که سازه های مجهز به میراگرهای ویسکوز از پریود بالاتری نسبت به سازه های مشابه برخوردار باشند. شکل 11 مقایسه ای از وزن مصالح مورد نیاز در اسکلت ساختمان های مختلف با و بدون میراگر را نشان میدهد. ملاحظه می شود که نه تنها میراگرهای ویسکوز سبب کاهش مصالح مصرفی می شوند بلکه منجر به بهبود عملکرد لرزه ای سازه نیز خواهند شد.

در خصوص اینکه آیا استفاده از میراگرهای ویسکوز و به طور کلی تکنولوژی های کنترل ارتعاشات در کشور توجیه اقتصادی دارد یا خیر باید گفت اگر عملکرد لرزه ای برای کارفرما مطرح نباشد و بدون طراحی عملکردی سازه صرفا بر اساس روش های سنتی (روش های مبتنی بر نیرو) طراحی گردد، معمولا استفاده از تکنولوژی های نوین از جمله میراگرهای ویسکوز برای کارفرما توجیه اقتصادی نخواهد داشت. چراکه صرفه اقتصادی حاصل از سبک شدن اسکلت و فونداسیون سازه معمولا نمی تواند هزینه های میراگر را پوشش دهد. لیکن کارفرما باید ریسک بالای صدمات سازه خود را پذیرا باشد. در صورتی که عملکرد لرزه ای برای کارفرما مهم باشد و از روشهای عملکردی به منظور طراحی سازه استفاده شود، استفاده از میراگرها در بسیاری از موارد به ویژه در سازه های فولادی با اهمیت بالا همانند بیمارستان ها و فروشگاه های بزرگ منجر به کاهش هزینه های اولیه ساخت خواهد شد چرا که در این موارد کاهش مصالح مصرفی بسیار چشمگیر بوده و هزینه های اضافه ناشی از اضافه کردن میراگر را پوشش خواهد داد.

لازم به توضیح است در صورتی که هزینه های احتمالی بازسازی سازه پس از زلزله نیز در برآورد هزینه ها درنظر گرفته شود به نظر می رسد برای طیف وسیعی از سازه های کشور استفاده از تکنولوژی های نوین علاوه بر توجیه فنی، توجیه اقتصادی نیز داشته باشد. در بسیاری از سازه ها (همانند بیمارستان ها، نمایشگاه های خودرو، فروشگاه ها و …) ارزش ریالی تجهیزات داخل ساختمان بسیار بیشتر از خود ساختمان می باشد. در چنین مواردی توجه صرف به وزن اسکلت در برآورد هزینه ها می تواند یک خطای راهبردی باشد که هزینه آن پس از زلزله متوجه مالکین ساختمان خواهد شد.

سوال پاسخ

میراگرهای ویسکوز تا چه میزان منجر به بهبود عملکرد لرزه ای اجزای غیرسازه ای می شوند؟

در کلیه ساختمان ها هزینه های مربوط به اجزای غیرسازه ای (دیوارها، کفسازی، نما، سقف کاذب، درب و پنجره و …) بیشتر از اجزای سازه ای (ستون، تیر، دیوار برشی، مهاربند، دال کف و فونداسیون) می باشد. به طورمیانگین حدود 70% هزینه های ساخت مربوط به اجزای غیرسازه ای ساختمان است. لذا عملکرد این اجزا در حین زلزله نه تنها برای حفظ ایمنی جانی بلکه برای حفظ سرمایه نیز اهمیت دارد. از آنجایی که میراگرهای ویسکوز منجر به افزایش سختی سازه نشده و میرایی ویسکوز خالص به سازه تزریق می کنند، منجر به کاهش شدید شتاب طبقات شده و از این طریق نیروی وارده بر اجزای غیرسازه ای کاهش می یابند. بسیاری از اجزای غیرسازه ای همانند نما، دیوارهای پیرامونی، پارتیشن ها، درب و پنجره المان هایی وابسته به شتاب هستند به این معنی که نیروی لرزه ای وارده بر آنها با کاهش شتاب طبقات کاهش می یابند. لذا در سازه های مجهز به میراگرهای ویسکوز، نه تنها اجزای سازه ای بلکه اجزای غیرسازه ای نیز عملکرد بهتری از خود نشان خواهند داد. این امر در شکل 12 برای یک دیوار بنایی غیرسازه ای واقع در طبقه 7 یا بیمارستان 8 طبقه نشان داده شده است. لازم به توضیح است میراگرهای ویسکوز به دو طریق شتاب طبقات را کاهش می دهند. اول آنکه به لطف استفاده از میراگرهای ویسکوز، سازه دارای اسکلت سبک تر و سختی کمتری می باشد که این امر به خودی خود منجر به افزایش پریود سازه و کاهش شتاب طبقات می شود. دوم آنکه میرایی سازه به واسطه میراگرهای ویسکوز افزایش یافته است که این امر به طور مضاعف منجر به کاهش کلیه پاسخ های سازه از جمله شتاب طبقات می گردد.

سوال پاسخ

آیا طراحی و مدل سازی سازه های مجهز به میراگرهای ویسکوز با استفاده از نرم افزارهای متداولی همانند SAP و ETABS امکان پذیر است؟

تقریبا در کلیه نرم افزارهای موجود از جمله SAP و ETABS به سادگی امکان مدل سازی میراگرهای ویسکوز خطی و غیرخطی وجود دارد. شکل 13 دو سازه مختلف که یکی در SAP و دیگری در ETABS مدلسازی و طراحی شده اند را نشان می دهد. مشخص است که هر دو نرم افزار قادر به شبیه سازی رفتار میراگر ویسکوز هستند. لازم به ذکر است کلیه میراگرهای ویسکوز ایران دمپ را می توان با استفاده از نرم افزارهای موجود از جمله SAP و ETABS شبیه سازی نمود.

سوال پاسخ

تفاوت بین میراگرهای ویسکوز خطی و غیرخطی در چیست؟

میراگرهای ویسکوز میراگرهایی وابسته به سرعت هستند به این معنی که نیروی ایجاد شده در میراگر به سرعت نسبی دو انتهای میراگر وابسته است. بدین ترتیب نیروی میراگرهای ویسکوز با استفاده از رابطه زیر تعیین می شود:

F=c.|v|α.sgn(v)

که ضریب میرایی میراگر با c و سرعت نسبی دو انتهای میراگر با v نشان داده شده است. پارامتر α موسوم به توان سرعت میراگر می باشد که اگر مقدار آن برابر 1 باشد میراگر ویسکوز خطی بوده و در صورتی که مقدار آن کمتر از 1 باشد میراگر ویسکوز غیرخطی خواهد بود. میراگرهای مورد استفاده در مهندسی عمران عمدتا دارای توان سرعتی برابر با 1 و یا کوچک تر از 1 می باشند.  منحنی جابجایی-نیرو در میراگرهای ویسکوز خطی بیضی بوده و در میراگرهای ویسکوز غیرخطی با کاهش توان سرعت این منحنی به شکل مستطیلی شدن میل می کند. البته در نتایج آزمایشگاهی از آنجایی که بارگذاری میراگر معمولا به شکل کاملا هارمونیک نمی باشد، نباید ملاک خطی یا غیرخطی بودن میراگر صرفا شکل منحنی جابجایی-نیرو باشد و باید حتما نمودار سرعت-نیرو بررسی شود. شکل 14 رفتار تئوریک و آزمایشگاهی میراگرهای ویسکوز خطی و غیرخطی ایران دمپ را نشان می دهد.

هر یک از میراگرهای ویسکوز خطی و غیرخطی مزیت های خاص خود را داشته و در جای خود می توانند بهترین گزینه باشند. هنوز اتفاق نظر جامعی در خصوص اینکه کدام یک از میراگرهای ویسکوز نسبت به دیگری برتری دارند وجود ندارد. لیکن بسیاری از محققین بر این باورند که میراگرهای ویسکوز غیرخطی به جهت اینکه در سرعت های کم نیروهای بیشتری تولید کرده و در سرعت های زیاد حداکثر نیروی میراگر را به حد مشخصی محدود می کنند، نسبت به میراگرهای خطی ارجحیت دارند. در مقابل برخی از تست های صورت گرفته نشان داده است میراگرهای ویسکوز خطی عملکرد بهتری در کاهش شتاب طبقات و متعاقبا نیروهای وارده بر سازه دارند. نکته ای که کلیه تحقیقات، تجربیات و تست های گذشته بر روی آن اتفاق نظر دارند آن است که میراگرهای ویسکوز چه به شکل خطی و چه به شکل غیرخطی به طور چشمگیری منجر به بهبود عملکرد لرزه ای سازه خواهند شد.

سوال پاسخ

آیا این امکان وجود دارد با استفاده از میراگرهای ویسکوز، نسبت میرایی سازه تا هر مقدار دلخواهی افزایش یابد؟

از نظر تئوری این امکان وجود دارد که نسبت میرایی سازه تا هر مقدار دلخواهی افزایش یابد لیکن باید توجه داشت از محدوده ای به بعد افزایش درصد میرایی تاثیر اندکی در بهبود رفتار سازه خواهد داشت. از طرف دیگر دستیابی به درصدهای میرایی بسیار بالا مستلزم استفاده از تعداد زیادی میراگر ویسکوز می باشد که ممکن است از نظر اقتصادی توجیه پذیر نباشد. افزایش تعداد میراگرهای مورد نیاز با افزایش درصد میرایی هدف در شکل 15 برای دو ساختمان 7 و 12 طبقه نشان داده شده است. معمولا در سازه های مطرح در مهندسی عمران درصد میرایی هدف بین 10% تا 30% بسته به اهداف طراحی درنظر گرفته می شوند. هر چه سازه دارای سختی کمتری بوده و سبک تر باشد، برای افزایش میرایی سازه به تعداد میراگر کمتری نیاز خواهد بود. این امر در شکل 15 مشهود است.

سوال پاسخ

آیا سازه های مجهز به میراگرهای ویسکوز به صورت کاملا الاستیک باقی می مانند؟

خیر. سازه های مجهز به میراگرها و جداگرها تحت زلزله طرح معمولا تا حدی وارد محدوده غیرارتجاعی خود می شوند و این امر براساس آیین نامه نیز مجاز می باشد. لیکن در مقایسه با سازه های متداول، سازه های مجهز به میراگرهای ویسکوز به شکل محدودتری محدوده غیرخطی را تجربه می کنند. به عنوان مثال شکل 16 رفتار لرزه ای یک ساختمان 7 طبقه با و بدون میراگر ویسکوز را تحت دو زلزله یکی با دوره بازگشت 50 ساله و دیگری با دوره بازگشت 475 ساله نشان می دهد. مشخص است که در زلزله 50 ساله سازه فاقد میراگر قدری غیرخطی شده و مفاصل پلاستیک در بسیاری از تیرها و دیوارهای برشی آن تشکیل شده است لیکن در سازه مجهز به میراگرهای ویسکوز سازه به صورت الاستیک باقی مانده است. در زلزله 475 ساله هر دو سازه غیرخطی شده اند لیکن تقاضاهای شکل پذیری وارده بر سازه مجهز به میراگر بسیار کمتر از سازه فاقد میراگر می باشد.

سوال پاسخ

اساسا چه نیازی به افزایش میرایی سازه با استفاده از میراگرهای ویسکوز می باشد، در صورتی که خود سازه می تواند با ظرفیت شکل پذیری خود انرژی ورودی را مستهلک ساخته و میرایی موثر خود را افزایش دهد؟

اگرچه تشکیل مفاصل پلاستیک در سازه منجر به استهلاک انرژی ورودی به سازه می شوند لیکن مفاصل پلاستیک در محدوده مجاز خود تنها قادر هستند میرایی موثر سازه را به طور محدودی افزایش دهند. ضمن آنکه تشکیل مفاصل پلاستیک در سازه به معنی صدمه دیدن سازه است. به بیان دیگر هرچه مفاصل پلاستیک انرژی بیشتری را مستهلک کنند به معنی آن است که سازه آسیب بیشتری دیده است درصورتی که فلسفه افزایش میرایی سازه بهبود رفتار و کاهش صدمات وارده بر سازه می باشد. از طرف دیگر همانطور که در شکل 17 نشان داده شده است، رفتار چرخه ای مفاصل پلاستیک دارای زوال سختی و مقاومت و باریک شدگی بوده و برای استهلاک انرژی رفتار ایده آلی نمی باشد. در مقابل میراگرهای ویسکوز دارای چرخه های پایدار بدون زوال هستند که در قابلیت استهلاک انرژی در آنها بسیار فراتر از مفاصل پلاستیک است. لذا فلسفه استفاده از میراگرهای ویسکوز و به طور کلی ادوات استهلاک انرژی آن است که وظیفه استهلاک انرژی بر عهده این ادوات بوده و سازه اصلی کمترین آسیب را تجربه کند چراکه اگر استهلاک انرژی توسط سازه اصلی انجام شود، سازه به شدت آسیب دیده و ممکن است قادر به تحمل پس لرزه ها نباشد. این سطح از آسیب معمولا ترمیم پذیر نبوده و اغلب تخریب کامل سازه و بازسازی آن مدنظر قرار خواهد گرفت که منجر به تحمیل هزینه های سنگینی بر مالک ساختمان خواهد بود.

سوال پاسخ

آیا پس از زلزله لازم است میراگرهای ویسکوز تعویض شوند؟

برخلاف فیوزهای تسلیم شونده، میراگرهای ویسکوز یک بار مصرف نبوده و پس از زلزله نیاز به تعویض ندارند. حتی اگر میراگرهای ویسکوز ایران دمپ در معرض ده ها چرخه با دامنه بسیار زیاد قرار بگیرند، رفتار میراگر دچار افت و زوال نخواهد شد. این امر مطابق شکل 18 براساس تستهای فراوان انجام شده به اثبات رسیده است.

سوال پاسخ

مقایسه میراگرهای ویسکوز با جداگرهای لرزه ای چیست؟

میراگرهای ویسکوز و جداگرهای لرزه ای هر دو از ادوات کنترل غیرفعال ارتعاش محسوب می شوند که هر یک در جایگاه درست خود می توانند منجر به بهبود چشمگیر رفتار لرزه ای سازه شوند و حتی در بسیاری از موارد مطابق شکل 19 در ترکیب با یکدیگر مورد استفاده قرار می گیرند. جداگرهای لرزه ای با افزایش پریود سازه و تبدیل مود اول سازه به یک حرکت تقریبا صلب می توانند حتی بیشتر از میراگرهای ویسکوز منجر به کاهش پاسخ های سازه شوند. لیکن استفاده از جداگرها محدودیت هایی نیز دارد. جداگرها در سازه های با صلبیت بالا کاربرد داشته و در سازه های منعطف (پریود بالای 2 ثانیه) کارآیی چندانی نخواهند داشت لذا استفاده از آنها عمدتا محدود به سازه های کوتاه مرتبه و یا میان مرتبه با صلبیت بالا می باشد. همچنین جداگرهای لرزه ای برای اینکه بتوانند نقش خود را ایفا کنند باید در ساختمانی نصب شونده که تا بر ساختمان همسایه فاصله مناسبی در حدود 20 الی 30 سانتیمتر از هر طرف وجود داشته باشد. این محدودیت باعث می شود در بسیاری از ساختمان های شهری در کشور استفاده از جداگرها با چالش مواجه شود چراکه فاصله تا همسایه بسیار اندک بوده و قیمت بالای زمین مانع از ایجاد فاصله مابین دو ساختمان می شود. یکی از راه کارهای کاهش تغییرشکل جداگرها و متعاقبا کاهش فاصله لازم مابین دو ساختمان، استفاده از میراگرهای ویسکوز در تراز جداشده سازه می باشد.

تفاوت دیگر مابین میراگرهای ویسکوز و جداگرهای لرزه ای آن است که جداگرهای لرزه ای عمدتا تحت بارهای لرزه ای موثر هستند و تحت سایر بارهای دینامیکی همانند باد نقشی در بهبود عملکرد سازه نخواهند داشت. در صورتی که میراگرهای ویسکوز تقریبا در تمام بارهای دینامیکی ازجمله زلزله، باد، ضربه، انفجار، موج (در سازه های دریایی) و … منجر به کاهش پاسخ های سازه خواهند شد.

جداگرهای لرزه ای باید در زیر کلیه ستون ها و دیوارهای باربر سازه قرار داده شوند و در سازه های با متراژ بزرگ این امر مستلزم استفاده از تعداد زیادی جداگر خواهد بود. لیکن میراگرهای ویسکوز نیازی نیست در تمام دهانه ها و یا حتی تمام طبقات کارگذاشته شوند. به علاوه در سازه های جداشده برای اینکه حرکت پای کلیه ستونها و دیوارهای باربر یکسان باشد لازم است پای ستون ها و دیوارها توسط تیرهایی به یکدیگر بسته شود. بدیهی است در سازه های جداشده از زمین باید تمهیدات خاصی نیز برای سیستم تاسیسات، لوله های آب، گاز و فاضلاب اتخاذ شود تا به واسطه تغییرشکل زیاد تراز جدا شده، صدمه ای به لوله ها وارد نشود.

در نهایت آنکه، به منظور بهسازی سازه های موجود، استفاده از میراگرهای ویسکوز به مراتب ساده تر می باشد و در بسیاری از موارد اساسا امکان بهسازی ساختمان با استفاده از جداگرهای لرزه ای وجود ندارد.

سوال پاسخ

مقایسه میراگرهای ویسکوز با سایر میراگرها چیست؟

به طور کلی میراگرهای غیرفعال متداول به سه دسته وابسته به جابجایی، وابسته به سرعت و وابسته به شتاب تقسیم می شوند.

میراگرهای وابسته به جابجایی: نیروی ایجاد شده در این نوع میراگرها به تغییرشکل نسبی دو انتهای میراگر وابسته می باشد و معمولا قابلیت جذب انرژی بالایی برای سازه فراهم خواهند نمود. از جمله میراگرهای متداول وابسته به تغییرشکل می توان به میراگرهای تسلیم شونده و میراگرهای اصطکاکی اشاره نمود. این میراگرها علاوه بر افزایش قابلیت استهلاک انرژی سازه منجر به افزایش سختی جانبی سازه نیز می شوند. این امر اگرچه منجر به کاهش تغییرشکل و دریفت طبقات خواهد شد لیکن معمولا منجر به افزایش شتاب طبقات و برش طبقات می گردد. به دلیل اینکه میراگرهای وابسته به تغییرشکل سختی جانبی سازه را تغییر می دهند، لذا لازم است به صورت متقارن در پلان مورد استفاده قرار گیرند تا بدین ترتیب منجر به ایجاد پیچش در سازه نشوند. این در حالی است که میراگرهای ویسکوز سختی سازه را تغییر نداده و در صورتی که به صورت نامتقارن در پلان چیده شوند منجر به افزایش پیچش سازه نخواهند شد. همچنین میراگرهای ویسکوز بر خلاف میراگرهای وابسته به تغییرمکان نه تنها تقاضاهای تغییرشکلی، بلکه تقاضاهای نیرویی و شتاب طبقات را نیز کاهش می دهند. نکته دیگر در خصوص میراگرهای وابسته به تغییر شکل به ویژه میراگرهای تسلیم شونده آن است که این میراگرها در صورتی که تحت زلزله طرح قرار گیرند معمولا لازم است پس از زلزله تعویض شوند و اصطلاحا یک بار مصرف هستند (همانند فیوز). در مقابل میراگرهای ویسکوز و برخی میراگرهای اصطکاکی یک بار مصرف نبوده و پس از زلزله طرح و یا حتی شدیدتر از آن نیاز به تعویض نخواهند داشت. از نقطه نظر تغییرشکل های ماندگار پس از زلزله نیز، میراگرهای وابسته به جابجایی (تسلیم شونده و اصطکاکی) می توانند خود باعث ایجاد تغییرشکل و دریفت ماندگار در سازه شوند چراکه پس از زلزله میراگر شکل اولیه خود را نداشته و مقداری جابجایی ماندگار را تجربه می کند. برای بازگرداندن میراگرهای تسلیم شونده و یا اصطکاکی، نیروی قابل توجهی لازم است که از طرف سازه به میراگر وارد شود و تضمینی وجود ندارد که سازه قادر باشد میراگر را به حالت اولیه خود بازگرداند. این در حالی است که میراگرهای ویسکوز به دلیل اینکه فاقد سختی هستند،پس از زلزله و استهلاک انرژی، قیدی برای بازگشت سازه به حالت اولیه خود ایجاد نمی کنند. نکته دیگر آنکه میراگرهای وابسته به جابجایی در برابر بارهای ناشی از باد کمکی به بهبود عملکرد سازه نخواهند داشت و به نحوی طراحی می شوند که تحت بار ناشی از باد دچار تسلیم (در میراگرهای تسلیم شونده) و یا لغزش (در میراگرهای اصطکاکی) نشوند. در مقابل میراگرهای ویسکوز حتی در کوچکترین تحریکات نیز عمل کرده و انرژی ورودی به سازه را مستهلک می کنند.

اگرچه میراگرهای تسلیم شونده و یا اصطکاکی در یک سیکل با نیرو و جابجایی یکسان اندکی بیش از میراگرهای ویسکوز انرژی مستهلک می کنند (به دلیل رفتار مستطیلی)، لیکن این نوع میراگرها تنها در برخی از سیکل های بزرگ تسلیم می شوند و یا دچار لغزش می شوند و در سایر سیکل های با نیروی متوسط و یا کوچک به صورت الاستیک باقی می مانند. در مقابل، میراگرهای ویسکوز در تمام سیکل های یک زلزله به استهلاک انرژی ادامه می دهند.

مشاهده مزیت های استفاده از میراگرهای ویسکوز در مقایسه با میراگرهای تسلیم شونده و یا اصطکاکی تنها محدود به مطالعات عددی و آزمایشگاهی نبوده بلکه در زلزله های واقعی نیز مشاهده شده است. به عنوان نمونه در حین زلزله شرق ژاپن که در سال 2011 با بزرگای 9 ریشتر رخ داد، بسیاری از ساختمان ها به شتاب سنج ها و سنسورهای مختلف مجهز بودند و در حین زلزله پاسخ های ثبت شده از ساختمان ها، اطلاعات با ارزشی را در اختیار مهندسین قرار داده است. بر اساس داده های ثبت شده، ساختمان هایی که مجهز به میراگرهای ویسکوز بودند از خود پاسخ مناسبی نشان دادند. در مقابل ساختمان هایی که دارای میراگرهای وابسته به تغییرمکان (مهاربندهای کمانش تاب، میراگرهای تسلیم شونده و میراگرهای اصطکاکی) بودند عملکرد مناسبی از خود نشان نداده و شتاب های بسیاری زیادی در طبقات آنها ثبت شده است. دلیل این امر افزایش سختی سازه به واسطه میراگرهای وابسته به تغییرمکان بوده است به طوری که حتی بسیاری از این میراگرها تسلیم نشده و عملا نتوانسته اند نقش خود را ایفا کنند. برای اطلاعات بیشتر در خصوص نتایج ثبت شده در این زلزله به مقاله زیر مراجعه شود.

Kasai k, Pu WC, Wada A. (2012). “Response of passively-controlled tall buildings in Tokyo during 2011 great east Japan earthquake”, 15th World Conference on Earthquake Engineering, Lisbon, Portugal.

 

میراگرهای وابسته به سرعت: نیروی ایجاد شده در این نوع میراگرها وابسته به سرعت نسبی دو انتهای میراگر می باشد و از جمله شاخص ترین این میراگرها می توان به میراگرهای ویسکوز و ویسکوالاستیک اشاره نمود. با توجه به اینکه مشخصات میراگرهای ویسکوز به طور مفصل در سوالات دیگر پاسخ داده شده است، از ارائه جزیئات بیشتر در این بخش خودداری می شود.

میراگرهای وابسته به شتاب: به این میراگرها جاذب انرژی نیز گفته می شود و میراگرهایی همانند جرم تنظیم شده، مایع تنظیم شده و ستون مایع تنظیم شده در این دسته قرار می گیرند. نیروی کنترلی که این میراگرها به سازه اعمال می کنند به شتاب طبقه ای که میراگر در آن جا نصب است بستگی دارد. به همین علت این میراگرها در محلی نصب می شوند که بیشترین شتاب وجود دارد. در اکثر ساختمان ها این محل بالاترین طبقه ساختمان است. از جمله مزیت های این نوع میراگرها این است که معمولا تنها در یک طبقه (بالاترین طبقه) نصب می شوند. این میراگرها منجر به افزایش سختی سازه نمی شوند و به واسطه جرم مرتعشی که دارند بخشی از انرژی ورودی به سازه را مستهلک می کنند. جرم مرتعش در میراگرهای جرم تنظیم شده می تواند یک جسم صلب فولادی یا بتنی باشد و در میراگرهای مایع تنظیم شده و ستون مایع تنظیم شده معمولا آب است. همچنین این نوع میراگرها علاوه بر زلزله، در بار باد نیز می توانند تاثیر مثبتی در عملکرد سازه داشته باشند. با این وجود، میراگرهای وابسته به شتاب چندین ضعف نیز دارند. ضعف اول آن است که قابلیت استهلاک انرژی آنها بسیار محدود می باشد و معمولا درصد میرایی موثر سازه را نمی توانند بیش از 3% الی 5% افزایش دهند. ضعف دیگر آن است که برای عملکرد نیاز به زمان برای مرتعش کردن جرم خود دارند. به بیان دیگر اگر پیک زلزله در ثانیه های ابتدایی باشد، میراگرهای وابسته به شتاب قادر به کاهش پاسخ های حداکثر سازه نخواهند بود و در برخی موارد حتی ممکن است منجر به افزایش پاسخ های حداکثر نیز شوند. چنین حالتی در بار باد کمتر رخ می دهد چراکه بار باد ناگهانی نبوده و دارای تداوم بسیار بیشتری در مقایسه با زلزله می باشد. لذا معمولا از این میراگرها در برج های بسیار بلند و به منظور کنترل ارتعاشات ناشی از باد استفاده می شود. لازم به ذکر است که جرم مرتعش موجود در این نوع میراگرها معمولا 2% الی 10% جرم کل سازه است. لذا استفاده از میراگرهای وابسته به شتاب مقداری وزن سازه را افزایش خواهد داد که سیستم باربر ثقلی سازه باید قادر به تحمل آن باشد.

جدول زیر خلاصه ای از معایب و مزایای میراگرهای مختلف و جداگرهای لرزه ای را ارائه می کند. در انتها باید اشاره داشت کلیه میراگرها و جداگرها در محدوده قابلیت های خود، بدون تردید می توانند منجر به بهبود عملکرد کلی سازه شوند و مقایسه میراگرهای مختلف به معنی تایید بی قید و شرط یکی و رد دیگری نمی باشد.

 

تسلیم شوندهاصطکاکیویسکوزجرم تنظیم شدهجداگر لرزه ای
قابلیت استهلاک انرژیعالیعالیعالیمتوسطخوب
افزایش سختیبلهبلهخیرخیرخیر
قابلیت کاهش جابجاییعالیعالیعالیمتوسطعالی
قابلیت کاهش نیروضعیفضعیفعالیمتوسطعالی
قابلیت کاهش شتابضعیفضعیفعالیمتوسطعالی
مناسب سازه های کوتاهبلهبلهبلهمعمولا خیربله
مناسب سازه های میان مرتبهبلهبلهبلهبلهمعمولا خیر
مناسب سازه های بلند مرتبهبلهبلهبلهبلهخیر
مناسب بارهای لرزه ایبلهبلهبلهنه چندانبله
مناسب بارهای ناشی از  بادخیرخیربلهبلهخیر
حساس به درجه حرارت محیطخیرخیرخیرخیرخیر
نیاز به تعویض پس از زلزله طرحبلهمعمولا خیرخیرخیرمعمولا خیر
نیاز به بازدید دوره ایمعمولا ندارددارددارددارددارد